专利名称：基于多模干涉结构的高功率单纵横模半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率单纵横模激光器，该激光器中含有用于产生高功率、高效率的单空间模式光输出的有源多模干涉区域。
背景技术：
高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性高、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是线宽较大，而且无法实现有效的单模输出。这是不容忽视的缺点。高功率半导体激光器通常被设计成具有一个宽的电泵浦腔，该泵浦腔支持几个横向空间模式。这种腔或波导为多模式。由于所述波导的宽度比单模光纤或平面波导的宽度大， 因此一个基本问题是如何将激光器的输出与单模波导有效地耦合，并有效地控制模式的线宽因子，实现单纵横模输出。本申请中的激光器内在物理原理是基于在多模干涉(匪I)波导中成像的原理。根据该原理，当光波沿波导传播时，给定平面的束流截面将在若干个自成像距离上被周期性地重现。其中，腔的往返长度被选择为与该成像距离相匹配或与若干个成像距离相匹配，将其与带有光栅的有源或无源波导层结合实现单纵横模稳定输出。根据多模干涉的理论，多模束流充满了整个MMI区，当束流到达MMI区和单模波导层的连接处时，它自成像为与单模输出波导相匹配的单模光点，并在波导层中形成单横模束流。最终，单横模束流在激光输出端输出。还有，本申请的设计与现有技术的最大区别在于，本申请中的激光器由于在输出激光的单模波导层有光栅，可以防止在MMI增益区发生跳模现象以及线宽因子的增加，因此可以实现单纵模的稳定输出。在MMI区的一侧或两侧制备高反射面可以将匪I区在束流方向上的尺寸缩小，即不需要是自成像距离的整数倍， 而可以是自成像距离整数倍的1/η (η为整数)，单模波导层可以分布在MMI的两侧或同在一侧。本申请中的激光器可以是内腔和外腔激光器。与本申请接近的是Hamamoto于2000年申请的，受让给NEC Incorporated的美国专利6，768，758以及JDS公司申请的公开号为CN1，967，953A的专利。其中，前者利用基于 MMI原理的单片电路结构，以单模束流开始，允许在多模束流中的激光增益，且随后重新生成一个单模束流。虽然，整个MMI由半导体制成，但是有源或无源的MMI是置于激光器的腔夕卜。后者与前者最大的不同仅在于有源MMI通过石英制备的无源MMI同单模波导连接，以及MMI同单模波导的连接可以是突变的。上述有源MMI相当于放大器，因此两种结构的都是外腔激光器。本申请同上述专利的最大不同在于单模波导中有制备光栅，并且可以是内腔激光器。另外更重要的是，MMI的结构不同，其两侧有反射面，并且自成像距离可以是任意的，其单模波导可以在MMI的两侧任意分布。
为了减小匪I输出面上的单模热光点处的光学灾变性损坏(C0D)，提高功率的输出。可通过多输出端输出激光减小每一端口的能量分布，然后加石英波导MMI或阵列光栅或星形耦合器实现单端高功率输出。
发明内容
本发明的一个目的是通过新型MMI实现高功率激光器的可制造性。这种MMI结构更有利于器件长度的优化。本发明的又一个目的是通过扩大半导体增益区域内的面积，减小单位面积峰值功率密度来实现激光器的高功率、单纵横模输出。本发明采用如下技术方案
一种高功率、单纵横模半导体激光器，其波导层包括单模和多模波导层；多模波导层中含有有源多模干涉区域，即多模有源层；其特征在于，多模干涉区域的侧面制备高反射面。用电泵浦所述有源多模干涉区域以提供光增益；
所述有源多模干涉区域是激光增益的主要来源；以下将有源多模干涉区域缩写为 AMMI ；
所述的多模干涉区域的长度可以是自成像距离整数倍的1/η，η为整数。所述单模波导层同多模波导层的连接处，是位于多模干涉区域的自成像点。所述单模波导层可以分布在多模波导层的一侧或两侧。所述单模与多模波导层相接的侧面以及与该表面相平行的侧面上，部分或全部制备高反射面。所述的单模波导层中远离多模干涉区域的一端有高反射面或低反射面；高反射面对应的是非激光输出端；低反射面对应的是激光输出端；激光输出端一个或多个。所述半导体激光器中含有光栅；光栅的位置可以在上包层、波导层或者其他地方； 光栅可以是单段或是多段，光栅的结构也可不同；
所述单模波导层是有源或者是无源的。所述激光器除去多模波导层的其他结构与分布反馈式激光器或分布式布拉格反射式激光器的结构相同；
其中，由所述高反射面和低反射面而界定激光腔。本发明所述的激光器比传统的单模激光器及锥形振荡器具有更高的功率，比传统的单模激光器及锥形振荡器具有更高的固有效率，而且比传统的高功率半导体激光器有更稳定的单纵模输出的。当有多激光输出端并且不同输出端利用不同光栅选模时，可以实现多波长输出，并且比单个传统的激光器有更宽的调谐范围。
图1. a为单自成像点附近制备高反射面的AMMI ； b为双自成像点附近制备高反射面的AMMI。图2多自成像点AMMI。图3 N1个波导层输出激光，N2个波导层不输出激光。
具体实施例方式(1)参照图1。图1. a示，AMMI长度等于1个自成像距离，在AMMI接单模波导的另一侧面，以自成像点中心为中心的，一定面积内制备高反射面，并通过控制反射面的大小提高高阶模式损耗，从而在单模波导一侧实现大功率、单纵横模的稳定输出。图l.b示，在 AMMI接单模波导的另一侧，分别以两个自成像点中心为中心制备高反射面，同样可以实现大功率、单纵横模的稳定激光输出。图2示，AMMI的长度等于1/3个自成像距离。此时，当光从端口 2输入时，在4，5，6 三个位置产生3个自成像点；当光从端口 4，5，6输入时，在1，2，3三个位置产生3个自成像点，在7，8产生2个自成像点。在1、3、4、5、6所在位置的AMMI表面上制备高反射面，则可以将多模干涉区内的光限制在2输出，而AMMI的区域可以显著缩小至1/3个自成像距离。 若AMMI在自成像点1，3处无反射面，则可以将单模波导分置于自成像点1，3点，实现大功率、单纵横模激光多端输出。依此类推当在AMMI两侧未接单模波导层的自成像点表面都制备高反射面，并且 AMMI的长度为m/n个自成像距离(m，η为大于0的整数)时，皆可实现单点或多端大功率、 单纵横模激光输出。(2)在实施方式(1)中含AMMI波导层仅连接含有源层的单模波导，此有源单模波导同DFB激光器的结构一样。含AMMI波导层的材料同有源单模波导层可以不同。当含 AMMI波导层的材料同有源单模波导层一致时，两者可以实现无缝连接。有源单模波导层同含AMMI波导层的连接可以是直接连接，另外也可以通过无源波导层间接连接。激光器所含光栅可以是单段或是多段，光栅的结构和分布可以不同，有源单模波导层可以部分或全部有光栅。在AMMI两侧的未接单模波导的自成像点附近以及该DFB激光器的非激光输出有源单模波导层端面制备高反射面，激光输出端的有源单模波导层端面制备低反射面。当有多激光输出端并且不同输出端利用不同光栅选模时，可以实现多波长输出，并且比单个传统的激光器有更宽的调谐范围。如图3示。N1个有源波导层输出激光，还有队个有源波导层不输出激光，有源单模波导层任意分置在AMMI的两侧。(N1是正整数，N2是非负整数)
(3)在实施方式(1)中含AMMI波导层连接无源单模波导，此结构相当于将DBR激光器的有源层部分或全部扩展为AMMI。含AMMI波导层的材料同无源单模波导层可以不同。当含AMMI波导层的材料同无源单模波导层一致时，两者可以实现无缝连接。无源单模波导层同含AMMI波导层的连接可以是直接连接，也可以间接连接。激光器所含光栅可以是单段或是多段，光栅的结构和分布也可以不同。在AMMI两侧的未接单模波导的自成像点附近以及该DBR激光器的非激光输出无源单模波导层端面制备高反射面，激光输出端的无源单模波导层端面制备低反射面。当有多激光输出端并且不同输出端利用不同光栅选模时，可以实现多波长输出，并且比单个传统的激光器有更宽的调谐范围。(4)在实施方式(1)中含AMMI波导层连接单模波导，此单模波导可以有源也可以无源。AMMI区域波导层的材料同单模波导层可以不同。当AMMI区域波导层的材料同单模波导层一致时，可以实现无缝连接。激光器所含光栅可以是单段或是多段，光栅的结构和分布也可以不同。在AMMI两侧的未接单模波导的自成像点附近以及该激光器的非激光输出单模波导层端面制备高反射面，激光输出端的单模波导层端面制备低反射面。当有多激光输出端并且不同输出端利用不同光栅选模时，可以实现多波长输出，并且比单个传统的激光器有更宽的调谐范围。(5)在实施方式(1)- (4)中可以内嵌级联AMMI或是级联阵列AMMI，可更大地提高激光器的输出功率。(6)在实施方式(1)- (5)中采用阵列激光输出单模波导，在阵列单模波导外连接无源MMI，或者阵列光栅或者星形耦合器，可在激光器外部实现大功率单横纵模输出。
权利要求
1.一种高功率、单纵横模半导体激光器，其波导层包括单模和多模波导层；多模波导层中含有有源多模干涉区域，即多模有源层；其特征在于，多模干涉区域的侧面制备高反射面。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，多模干涉区域的长度是自成像距离整数倍的l/n，n为整数。
3.根据权利要求1或2任一所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器中含有光栅。
4.根据权利要求1、2或3所述的半导体激光器，其特征在于，所述单模波导层同多模波导层的连接处，位于多模干涉区域的自成像点。
5.根据权利要求1-4任一所述的半导体激光器，其特征在于，所述单模与多模波导层相接的侧面以及与该表面相平行的侧面上，部分或全部制备高反射面。
6.根据权利要求1-5任一所述的半导体激光器，其特征在于，单模波导层中远离多模干涉区域的一端有高反射面或低反射面；高反射面对应的是非激光输出端；低反射面对应的是激光输出端；激光输出端一个或多个。
7.根据权利要求1-6任一所述的半导体激光器，其特征在于，单模波导层是有源或者是无源的。
8.根据权利要求1-7任一所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器除去多模波导层之外的其他结构与分布反馈式激光器或者分布式布拉格反射式激光器的结构相同。
全文摘要
一种基于多模干涉结构的高功率单纵横模半导体激光器，在MMI的一侧或两侧制备高反射面可以缩小MMI在输入输出方向上的尺寸，即不需要是自成像距离的整数倍，而可以是自成像距离整数倍的1/n(n为整数)。发明另一方面涉及利用新型的MMI结构制备具有单纵横模输出的高功率激光器；其波导层包括单模和多模波导层。多模波导层中含有有源多模干涉区域(AMMI)，即多模有源层。并在输出激光的单模波导层中制备有光栅，可以防止在AMMI发生跳模现象以及线宽因子的增加，因此可以实现单纵横模的稳定输出。
文档编号H01S5/20GK102457018SQ201110242658
公开日2012年5月16日 申请日期2011年8月21日 优先权日2011年5月3日
发明者苏辉 申请人:中国科学院福建物质结构研究所